1　引言

　　scale-2芯片組是專(zhuān)門(mén)為適應(yīng)當(dāng)今igbt與功率mosfet柵驅(qū)動(dòng)器的功能需求而設(shè)計(jì)的。這些需求包括：可擴(kuò)展的分離式開(kāi)通與關(guān)斷門(mén)級(jí)電流通路;功率半導(dǎo)體器件在關(guān)斷時(shí)的輸出電壓可以為有源箝位提供支持;多電平變換器與并聯(lián)功率器件的專(zhuān)業(yè)控制功能的兼容性;可以選擇使用低成本的雙向信號(hào)的變壓器接口或抗電磁干擾光纖接口;可擴(kuò)展設(shè)置，并具備故障管理;次級(jí)故障信號(hào)輸入/輸出，3.3v到15v的邏輯兼容性。

　　在延伸漏極雙井雙柵氧cmos制造工藝中使用了這個(gè)芯片組，它包括幾個(gè)不盡相同的次級(jí)智能門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)(igd)asic和一個(gè)初級(jí)邏輯驅(qū)動(dòng)插口(ldi)asic。

　　2　集成的柵驅(qū)動(dòng)器核心

　　圖1所示為柵驅(qū)動(dòng)器asic原型的顯微照片。它的有源區(qū)約為：

　　4 mm×2mm。常規(guī)封裝是一個(gè)在高電流接口有著雙引線(xiàn)鍵合的soic-16。在成本非常低的情況下，不同的接合法常被用來(lái)控制不同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專(zhuān)業(yè)功能，包括可以選擇使用雙向信號(hào)變壓器接口或雙向光導(dǎo)纖維接口。這個(gè)高度集成的柵驅(qū)動(dòng)器核心包含一個(gè)輸出電流與泄放電流為5.5a的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，同時(shí)支持對(duì)外置的n型mosfet的直接驅(qū)動(dòng)，這樣就可以輕松放大柵極功率和柵極電流分別達(dá)到20w與20a甚至更大。半橋推挽式輸出級(jí)為在低成本的擴(kuò)展，幾個(gè)柵驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)與不依賴(lài)關(guān)斷柵極-發(fā)射極電壓的操作控制性都提供了可能。

　　先進(jìn)的控制功能以及專(zhuān)門(mén)為客戶(hù)提供的選項(xiàng)可以通過(guò)在可編程的單層掩膜上預(yù)置復(fù)合信號(hào)單元以及簡(jiǎn)單器件(例如模擬比較器，邏輯門(mén)，cmos晶體管，接口)，實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格投入市場(chǎng)。

　　初級(jí)邏輯驅(qū)動(dòng)插口(ldi)asic實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙溝道雙向變壓器接口，一個(gè)帶有專(zhuān)用啟動(dòng)序列可擴(kuò)展的dc-dc轉(zhuǎn)換器，并且具有可擴(kuò)展設(shè)置和故障管理功能。圖2所示為邏輯驅(qū)動(dòng)插口asic原型的顯微照片，其有源區(qū)約為4mm × 2 mm，常規(guī)封裝為soic-16。

　　為了提高igbt的抗短路能力，一般在開(kāi)啟過(guò)程和導(dǎo)通狀態(tài)下將其柵極-發(fā)射極電壓限制在+15v以下。由于近來(lái)的igbt的閾值柵壓已經(jīng)超過(guò)3v，所以在關(guān)斷過(guò)程和斷開(kāi)狀態(tài)下把柵極-發(fā)射極電壓設(shè)置為0v就足夠了。這對(duì)于直接把柵驅(qū)動(dòng)器集成在功率模塊中的智能功率模塊(ipm)來(lái)說(shuō)是一種慣例。與這些小型的ipm相比，現(xiàn)今常規(guī)的大型igbt模塊，帶有36個(gè)以上的并聯(lián)igbt芯片，它的柵極互連線(xiàn)產(chǎn)生的電阻以及集電極-柵極轉(zhuǎn)移電容都會(huì)增大，這會(huì)對(duì)它的關(guān)斷速度，抗噪聲特性造成嚴(yán)重的影響，特別是還有可能產(chǎn)生由于瞬間電壓導(dǎo)致的局部誤導(dǎo)通。為了減少這些影響，柵極-發(fā)射極關(guān)斷電壓通常設(shè)定為-5v—15 v。

　　因此，在第一種工作模式下，igdasic可以通過(guò)在“vee”管腳(見(jiàn)圖3)調(diào)節(jié)發(fā)射極電壓的方式，提供給開(kāi)啟導(dǎo)通狀態(tài)一個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)的+15v柵極-發(fā)射極電壓來(lái)作為整個(gè)柵驅(qū)動(dòng)器的供給電壓，其測(cè)量精確度為±450mv，工藝偏差在3σ內(nèi)，溫度范圍為400℃—1250℃。驅(qū)動(dòng)直流電流必須被限制在 2.8ma以下，這樣外部元件就可以控制將柵極-發(fā)射極電壓設(shè)定為用戶(hù)需要的值。

　　由于柵驅(qū)動(dòng)器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅(qū)動(dòng)器需要使柵極-發(fā)射極電壓保持在-5.5v左右，這樣關(guān)斷狀態(tài)才可以抗噪聲干擾。在這種工作模式下，監(jiān)測(cè)到柵極-發(fā)射極開(kāi)啟電壓小于12.6 v，關(guān)斷電壓小于5.15v時(shí)故障清除模式就會(huì)判斷出錯(cuò)。與之相應(yīng)的啟動(dòng)電路與噪聲濾波也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。柵驅(qū)動(dòng)器的推薦供給電壓范圍為20.5 v—30v。在第二種工作模式，也就是mosfet模式下，asic同樣提供了一個(gè)0v的關(guān)斷電壓。一旦這種模式被asic監(jiān)測(cè)到，故障清除模式將把開(kāi)啟電壓8.5v作為判斷出錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)關(guān)斷電壓的電路以及+15v的控制電路都將失效。這種模式下的推薦柵驅(qū)動(dòng)器供給電壓為10 v—17.5 v。

　　igbt是電壓控制器件。通常，柵驅(qū)動(dòng)器是用電壓源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，柵電流可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臇烹娮鑱?lái)調(diào)節(jié)。這里所使用的柵驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)通和關(guān)斷輸出級(jí)都是利用擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝制造的n型ldmos晶體管實(shí)現(xiàn)的。

　　橫向器件的限制因素在于，對(duì)于相同的導(dǎo)通電阻更耗費(fèi)硅片面積，而且在一定的柵極-源極電壓下，一旦超過(guò)給定的工藝和溫度，飽和電流以及導(dǎo)通電阻將產(chǎn)生很大的變化。對(duì)于一個(gè)不增加成本的實(shí)例，柵驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)，導(dǎo)通電阻為1.1ω，偏差±40%，假定外部的柵電阻為3.3ω，那么將引起柵電流±10%的變化。此外，隨著在高結(jié)溫下dmos飽和電流的減小，它有可能到達(dá)柵電流峰值所需要的最小值，導(dǎo)通電阻的變化將進(jìn)一步地增大。最終將導(dǎo)致增加igbt柵電荷移動(dòng)的延遲時(shí)間。這種時(shí)間上的延遲將對(duì)并聯(lián)的igbt與獨(dú)立的柵驅(qū)動(dòng)器的電流分配產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

　　圖4　用來(lái)測(cè)評(píng)的即插即用型單通道igbt驅(qū)動(dòng)器，柵級(jí)性能達(dá)到20a、20w，帶有先進(jìn)的有源箝位功能，一個(gè)雙向信號(hào)變壓器接口和一個(gè)光纖接口，可以選擇使用高或低閾值vce監(jiān)測(cè)。電路示意圖(上圖)，實(shí)物圖(左下圖)，igbt關(guān)斷波形圖(右下圖)。